Взаимодействие альфа-излучения и бета-излучения с веществом.

Альфа-частицы, бета-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном, в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

· заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

· при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;

· в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы;

· при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1, 02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией.

Альфа-частицы, проходя через слой вещества, взаимодействуют с атом- ными ядрами и электронами. Упругое рассеяние альфа-частиц на ядрах атомов вещества маловероятно, так как, во-первых, масса ядра значительно больше массы частицы, во-вторых, ядро и альфа-частицы имеют одинаковый (положительный) электрический за- ряд. В процессе упругого столкновения альфа-частицы с ядром она отклоняется на малый угол. Таким образом, путь альфа-частицы в веществе (среде) практи- чески прямолинеен. При неупругом рассеянии энергия альфа-частицы передается атомным электронам. Получив эту энергию, атомы вещества возбуждаются или ионизи- руются. И в том, и в другом случае потери энергии частицы называются иони- зационными. Если концентрация электронов в веществе равна ne, то потери энергии частицы (ионизационные потери) в результате ее взаимодействия со всеми встречающимися на ее пути электронами будут определяться величиной -(dE/dx)ИОН – уменьшением энергии частицы на единице пути. Ионизационные потери характеризуются величиной средней потери энергии на единице пути. 16 Эти потери пропорциональны энергии частицы Еα, концентрации электронов в веществе nе и обратно пропорциональны скорости движения частицы V, т.е..

V nE dx dE 2 е 2 α ион α ⋅ ⎟ ≅ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − (2.1)

Потери энергии сильно зависят от скорости частицы - они тем больше, чем меньше скорость частицы. При очень малых скоростях частицы формула (2.1) дает завышения значения для потерь энергии частицы и кривая потерь уходит в бесконечность. Однако при малых скоростях имеет место захват электронов движущейся частицей. Это приводит к меньшим потерям энергии по сравне- нию с тем, что дает формула (2.1). При этом кривая потерь не уходит в беско- нечность, а достигает максимума, после чего начинает постепенно снижаться. Таким образом, при каждом акте ионизации альфа-частица выбивает из атома один или несколько электронов. Наиболее быстрые из этих электронов способны создавать вторичную ионизацию, в результате которой вторичные электроны можно зарегистрировать с помощью приборов.

При движении в веществе a- частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами. Корпускулярные a- частицы имеют небольшие пробеги в веществе, поэтому защита от внешних потоков этого излучения трудностей не представляет. Решение задачи защиты от альфа-излучения обычно базируется на знании пробега этой частицы в веществе. Пробеги альфа-частиц в различных веществах табулированы.

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов. Упругое рассеяние бета-частиц на электронах в Z раз (Z— величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах. Теоретически возможен и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки.

При энергии бета-частиц выше энергии связи электрона с ядром (до — 1 МэВ) основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов.

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение при котором возникает тормозное излучение.

Таким образом, процессы взаимодействия бета-частиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бета-частиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х.

Путь бета-частиц в веществе обычно представляет ломаную линию, а пробег бета-частиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бета-частиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния на ядрах больше, чем у тяжелых частиц. Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бет частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них: Rср/Rвозд=ρ возд/ρ ср

где Rср — длина пробега в среде; Rвозд — длина пробега воздухе; ρ возд и ρ ср — плотность воздуха и среды соответственно; Е — энергия бета-частиц.